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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine Ansteuervorrichtung für LEDs einer Leuchte, insbesondere einer als Downlight oder Wallwasher implementierten wand- oder deckenmontierten Leuchte, sowie ein Verfahren zur Ansteuerung von LED-Modulen einer Leuchte.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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In speziellen Beleuchtungsanwendungen wie etwa in der Gebäudebeleuchtung oder der Veranstaltungstechnik können LED-Leisten oder LED-Arrays hoher Leistung zum Einsatz kommen, welche auch als „Wallwasher“ bezeichnet werden. Derartige LED-Leuchten können beispielsweise als Fluter zur punktuellen oder streifenförmigen linearen oder spotartigen Beleuchtung von ausgedehnten ebenen Flächen, wie etwa Wänden oder Fassaden, eingesetzt werden, wie etwa beispielhaft in der
DE 10 2016 217 332 A1 erläutert.
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Für die Ansteuerung von LED-Leuchtmitteln solcher Leuchten ist es wünschenswert, das Ansteuerkonzept flexibel an das Leuchtendesign und die angestrebte Leuchtencharakteristik anpassen zu können. Außerdem sind solche Leuchten häufig modular aufgebaut und das Ansteuerkonzept sollte sich an die Modularität der Leuchte anpassen können. Die Druckschrift
DE 20 2017 105 722 U1 beispielsweise offenbart einen Digital-zu-Widerstandswert-Wandler für einen Linearregler zur Versorgung von LEDs in Kraftfahrzeugen.
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Die Druckschrift
DE 10 2013 108 257 A1 offenbart ein Verfahren und eine Einrichtung zum Dimmen von Licht emittierenden Dioden (LED) durch Kombination einer Stromsteuerung und einer Steuerung mittels Pulsweitenmodulation. Durch die Stromsteuerung erfolgt eine Grobannäherung an die einzustellende Helligkeit, und durch die überlagerte Pulsweitenmodulation erfolgt eine Feinannäherung an eine einzustellende Helligkeit der LED in der Weise, dass mit der Frequenz der Pulsweitenmodulation Stromwerte wenigstens eine Stufe unterhalb eines Sollwertes und wenigstens eine Stufe oberhalb eines Sollwertes an eine gesteuerte Gleichstromquelle übergeben werden. Ein Tastverhältnis wird durch die Pulsweitenmodulation so gewählt, dass sich scheinbar ein mittlerer Wert für die Helligkeit der LED ergibt.
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Die Druckschrift
WO 2014/117193 A2 offenbart eine Vorrichtung zum Betreiben von LEDs, aufweisend ein Treiber-Modul, und ein von dem Treiber-Modul angesteuertes LED-Modul mit wenigstens einer LED. Das LED-Modul wird über einen ersten Anschluss von dem Treiber-Modul mit einem Strom gespeist, und ein zweiter Anschluss ist vorhanden. Das LED-Modul ist über einen dritten Anschluss, der als Daten-Kanal ausgebildet ist, mit dem Treiber-Modul verbunden. Auf dem Daten-Kanal liegt eine Spannung an, die von dem Treiber-Modul gespeist wird.
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Die Druckschrift
DE 10 2015 102 533 A1 offenbart ein modulares System zur optischen Signalisierung, welches mehrere LED-Module umfasst, die durch eine Systemansteuerung flexibel angesteuert werden können. Die Module weisen jeweils eine Mehrzahl an LEDs und eine Ansteuereinheit zum individuellen Ansteuern der LEDs auf.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine der Aufgaben der Erfindung besteht darin, flexible und skalierbare Lösungen für die verlustarme bzw. kosteneffiziente Ansteuerung von Leuchtdioden zu finden.
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Diese und andere Aufgaben werden durch eine Ansteuervorrichtung für eine LED-Leuchte mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine LED-Leuchte mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und durch ein Verfahren zur Ansteuerung einer LED-Leuchte mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst eine Ansteuervorrichtung für LED-Leuchtmittel einer Leuchte, insbesondere ein Downlight oder einen Wallwasher, ein erstes Leuchtmittelmodul, welche ein oder mehrere erste LED-Leuchtmittel aufweist, einen in dem ersten Leuchtmittelmodul angeordneten ersten Stromregler, welcher in Reihe zu den ein oder mehreren ersten LED-Leuchtmitteln geschaltet ist, einen Steuersignalgenerator, welcher dazu ausgelegt ist, ein digitales Leuchtmittelsteuersignal zu erzeugen und an einem Generatorausgang bereitzustellen, und einen ersten Digital-Analog-Wandler, welcher zwischen den Generatorausgang des Steuersignalgenerators und einen Steuereingang des ersten Stromreglers gekoppelt ist und dazu ausgelegt ist, das digitale Leuchtmittelsteuersignal des Steuersignalgenerators in ein analoges Leuchtmittelsteuersignal zu wandeln und in den Steuereingang des ersten Stromreglers einzuspeisen. Der erste Stromregler weist einen Linearregler auf, und der Linearregler weist eine Konstantstromquelle mit einem Operationsverstärker, einem mit dem Ausgang des Operationsverstärkers über einen Basisstrombegrenzungswiderstand gekoppelten Bipolartransistor, einem mit dem Emitter des Bipolartransistors gekoppelten Shuntelement sowie eine Kompensations- und Schwingungsdämpfungsschaltung, die den Ausgang des Operationsverstärkers mit dessen invertierenden Eingang rückkoppelt, auf.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst eine Leuchte, insbesondere ein Downlight oder einen Wallwasher, eine Ansteuervorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Ansteuern von LED-Leuchtmitteln einer Leuchte die Schritte des Versorgens eines ersten Leuchtmittelmoduls, welche ein oder mehrere LED-Leuchtmittel aufweist, mit einer durch einen Gleichrichter erzeugten Gleichspannung, des Erzeugens eines digitalen Leuchtmittelsteuersignals durch einen Steuersignalgenerator, welcher von dem Gleichrichter mit Versorgungsspannung versorgt wird, des Einspeisens des digitalen Leuchtmittelsteuersignals in einen ersten Digital-Analog-Wandler, des Wandelns, durch den Digital-Analog-Wandler, des digitalen Leuchtmittelsteuersignals in ein analoges Leuchtmittelsteuersignal, und des Einspeisens des analogen Leuchtmittelsteuersignals in einen Steuereingang eines ersten Stromreglers, welcher in Reihe zu den ein oder mehreren Leuchtmitteln geschaltet ist. Das digitale Leuchtmittelsteuersignal überträgt Steuerinformation bei konstanter Signalfrequenz über eine Variation des Tastgrades.
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Eine wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, eine kombinierte Ansteuerung für LED-Leuchtmittel aus einem Stromregler und einem Digital-Analog-Wandler zu realisieren, so dass ein Ansteuersignal digital erzeugt werden kann, aber die tatsächliche Ansteuerung des Stromreglers analog erfolgt. Eine derartige hybride Ansteuerung ermöglicht es, flexible und mit gängigen Steuersystemen kompatible Ansteuerschaltungen zu verwenden, die beispielsweise auf der Basis von DALI- oder ZigBee-Standards operieren können. Gleichzeitig jedoch wird ein für digitale Ansteuersignale typisches hochfrequentes Flickern bei der Ansteuerung des Stromreglers vermieden, welches zu störenden Artefakten in der Lichtabstrahlung führen kann.
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Die Verwendung der hybriden Ansteuerung ermöglicht zudem eine flexible modulare Anordnung der einzelnen Komponenten für einen kompakten und designorientierten Aufbau von LED-Leuchten. Zudem kann die vorgezogene Digital-Analog-Wandlung der Ansteuersignale zu einer besseren Effizienz eines etwaigen angesteuerten Schaltreglers führen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
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Gemäß einigen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung für eine LED-Leuchte kann die Ansteuervorrichtung weiterhin einen Gleichrichter aufweisen, welcher dazu ausgelegt ist, eine Wechselspannung in eine Leuchtmittelversorgungsspannung zu richten. Dabei kann in manchen Ausführungsformen das erste Leuchtmittelmodul mit einem Spannungsausgang des Gleichrichters gekoppelt sein. In manchen solcher Ausführungsformen kann der Steuersignalgenerator von dem Gleichrichter mit Versorgungsspannung versorgt werden.
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Gemäß einigen weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung kann die Ansteuervorrichtung weiterhin einen Gleichspannungswandler aufweisen, welcher zwischen den Spannungsausgang des Gleichrichters und einen Versorgungseingang des Steuersignalgenerators gekoppelt ist. Dabei kann in manchen Ausführungsformen der Gleichspannungswandler ein Abwärtswandler sein.
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Gemäß einigen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung für eine LED-Leuchte kann der erste Digital-Analog-Wandler eine Reihenschaltung aus einem Spannungsteiler und einem Tiefpass erster oder höherer Ordnung aufweisen. In manchen alternativen Ausführungsformen kann der erste Digital-Analog-Wandler eine Reihenschaltung aus einem R2R-Netzwerk und einem Tiefpass zweiter Ordnung aufweisen. Eine Schaltung aus Spannungsteiler und Tiefpass erster oder höherer Ordnung bietet eine einfach zu implementierende Lösung, um digitale Informationsignale in analoge Signale umzusetzen. Dies ermöglicht es in vorteilhafter Weise, Steuerinformationen für den Stromregler mit einer gleichbleibenden Frequenz über eine Variation des Tastgrades zu übertragen. Ein R2R-Netzwerk bietet ebenfalls eine einfach zu implementierende Lösung für eine Digital-zu-Analog-Umsetzung. Bei einem R2R-Netzwerk wird ein binär kodierter Eingangswert über ein kaskadiertes Netzwerk geschalteter Spannungsteiler in eine abgestufte Ausgangsspannung gewandelt.
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Gemäß einigen weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung kann der erste Stromregler einen Linearregler oder einen Schaltregler aufweisen. Ein Linearregler bietet eine gute Stromstabilisierung und kann beispielsweise als ein nach dem Längsreglerprinzip arbeitender Feststromregler implementiert werden. Ein Längsregler kann als einstellbare Konstantstromquelle ausgeführt werden, welche Stromänderungen, die als Folge von Änderungen des Lastwiderstandes auftreten, durch eine gezielte Variation der Betriebsspannung bzw. des Innenwiderstandes der Konstantstromquelle dynamisch ausgleichen kann.
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Gemäß einigen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung kann ein derartiger Linearregler eine Konstantstromquelle mit einem als Spannungsfolger arbeitenden Operationsverstärker, einem mit dem Ausgang des Operationsverstärkers über einen Basisstrombegrenzungswiderstand gekoppelten Bipolartransistor, beispielsweise einem NPN-Bipolartransistor, einem mit dem Emitter des Bipolartransistors gekoppelten Shuntelement sowie einer Kompensations- und Schwingungsdämpfungsschaltung, die den Ausgang des Operationsverstärkers mit dessen invertierenden Eingang rückkoppelt, aufweisen. Eine derartige Konstantstromquelle bietet den Vorteil, dass hohe Ströme sehr genau und schnell geregelt werden können. Außerdem kann der Schaltungsaufbau mit leicht verfügbaren Standardbauteilen realisiert werden.
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Gemäß einigen weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung kann der Steuersignalgenerator eine Eingangsschnittstelle aufweisen. In manchen Ausführungsformen kann der Steuersignalgenerator dazu ausgelegt sein, das digitale Leuchtmittelsteuersignal auf der Basis eines an der Eingangsschnittstelle empfangenen Ansteuersignals, insbesondere eines DALI-Steuersignals oder ZigBee-Steuersignals, zu erzeugen. Dabei kann das DALI-Steuersignal oder ZigBee-Steuersignal einen Sollwert für die Dimmung ein oder mehrerer LED-Leuchtmittel des ersten Leuchtmittelmoduls angeben.
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Gemäß einigen weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung kann die Ansteuervorrichtung weiterhin mindestens ein zweites, mit dem Spannungsausgang des Gleichrichters gekoppeltes Leuchtmittelmodul, welches ein oder mehrere zweite LED-Leuchtmittel aufweist, mindestens einen in dem zweiten Leuchtmittelmodul angeordneten zweiten Stromregler, welcher in Reihe zu den ein oder mehreren zweiten LED-Leuchtmitteln geschaltet ist, und mindestens einen zweiten Digital-Analog-Wandler aufweisen, welcher zwischen den Generatorausgang des Steuersignalgenerators und einen Steuereingang des zweiten Stromreglers gekoppelt ist und dazu ausgelegt ist, das digitale Leuchtmittelsteuersignal des Steuersignalgenerators in ein analoges Leuchtmittelsteuersignal zu wandeln und in den Steuereingang des zweiten Stromreglers einzuspeisen. Durch die Verteilerarchitektur aus dem zentralen Steuersignalgenerator kann die Leuchmittelmodulauswahl prinzipiell unbegrenzt skaliert werden.
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Gemäß einigen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Leuchte kann der Steuersignalgenerator auf einer Steuerungsplatine angeordnet sein. Dabei können in manchen Ausführungsformen das erste Leuchtmittelmodul und der erste Digital-Analog-Wandler auf einer von der Steuerungsplatine separaten Leuchtmittelträgerplatine angeordnet sein.
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Gemäß einigen weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Leuchte kann der Steuersignalgenerator über ein Kabel mit der Leuchtmittelträgerplatine verbunden sein.
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Gemäß einigen weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Leuchte können die ein oder mehreren LED-Leuchtmittel Hochvolt-LEDs aufweisen. Dabei kann der erste Stromregler ein Linearregler sein. Hochvolt-LEDs sind mit Gleichspannung betriebene LEDs, deren Betriebsspannung möglichst nahe an der effektiven Netzspannung geführt wird. Daher können eingesetzte LED-Treiber mit wenigen Komponenten auskommen.
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Gemäß einigen dazu alternativen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Leuchte können die ein oder mehreren LED-Leuchtmittel Niedervolt-LEDs aufweisen. In diesem Fall kann der erste Stromregler einen Schaltregler aufweisen. Niedervolt-LEDs sind ebenso wie Hochvolt-LEDs mit Gleichspannung betriebene LEDs, deren Betriebsspannung allerdings signifikant unterhalb der Netzspannung liegt und die deshalb eine separate Spannungsumsetzung benötigen. Niedervolt-LEDs haben aber meist einen etwas besseren Wirkungsgrad als Hochvolt-LEDs.
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Gemäß einigen weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Leuchte kann der Gleichrichter dazu ausgelegt sein, eine Netzwechselspannung in eine Leuchtmittelversorgungsspannung von 48 Volt zu richten.
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Gemäß einigen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ansteuerung einer LED-Leuchte kann der erste Digital-Analog-Wandler eine Reihenschaltung aus einem Spannungsteiler und einem Tiefpass erster oder höherer Ordnung aufweisen. Gemäß einigen weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der erste Stromregler einen Linearregler oder einen Schaltregler aufweisen.
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Gemäß einigen weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Erzeugen des digitalen Leuchtmittelsteuersignals durch den Steuersignalgenerator auf der Basis eines an einer Eingangsschnittstelle des Steuersignalgenerators empfangenen DALI-Steuersignals oder ZigBee-Steuersignals erfolgen. Dabei kann das DALI-Steuersignal oder ZigBee-Steuersignal in manchen Ausführungsformen des Verfahrens einen Sollwert für die Dimmung der ein oder mehreren LED-Leuchtmittel angeben.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
- 1 eine teilweise bestückte Gehäusekomponente einer LED-Leuchte in einer perspektivischen Unteransicht gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine schematische Schnittansicht durch die Gehäusekomponente einer LED-Leuchte von 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
- 3 ein schematisches Blockschaubild funktioneller Komponenten einer Ansteuervorrichtung für eine LED-Leuchte gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
- 4 ein abstrahiertes Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Ansteuerung einer LED-Leuchte gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
- 5 ein schematisches Blockschaubild einer möglichen Schaltung für einen Linearregler als einstellbare Konstantstromquelle.
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Die beiliegenden Figuren sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt. Richtungsangebende Terminologie wie etwa „oben“, „unten“, „links“, „rechts“, „über“, „unter“, „horizontal“, „vertikal“, „vorne“, „hinten“ und ähnliche Angaben werden lediglich zu erläuternden Zwecken verwendet und dienen nicht der Beschränkung der Allgemeinheit auf spezifische Ausgestaltungen wie in den Figuren gezeigt.
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In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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1 zeigt eine teilweise bestückte Gehäusekomponente 11 einer Leuchte 10. Dabei kann die Leuchte 10 ein oder mehrere Leuchtdioden („light emitting diodes“, LEDs) als aktive Leuchtmittel aufweisen. Die Leuchte 10 kann daher auch als LED-Leuchte bezeichnet werden. Die Leuchte 10 kann zum Beispiel in eine beispielsweise abgehängte Decke eingebaut oder an einer Decke befestigt sein, wobei eine Anbringung an anderen Teilen eines Bauwerks, etwa im Wandbereich, ebenso möglich ist. Die Leuchte 10 ist vor ihrer Herstellung und Lieferung vom Kunden, beispielsweise durch einen Lichtdesigner, frei konfigurierbar, beispielsweise um mehrere mittels der Leuchte 10 darzustellende Lichteffekte in der gewünschten Weise in der Leuchte 10 zu vereinen.
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Die Leuchte 10 der 1 weist eine Gehäusekomponente 11 auf, die beispielsweise einstückig aus einem Metallmaterial, wie etwa Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, druckgegossen sein kann. Dabei kann die Gehäusekomponente 11 - wie schematisch in 1 dargestellt - eine im Wesentlichen quadratische Grundfläche aufweisen. Das Verhältnis von Höhe zu Kantenlänge der quadratischen Grundfläche der Gehäusekomponente 11 kann deutlich kleiner als Eins sein, so dass die Gehäusekomponente 11 hinsichtlich ihrer Außenform die Grundform eines flachen Quaders aufweisen kann.
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Die Gehäusekomponente 11 weist eine Basis 12 auf, die von seitlichen Gehäusewänden 13 begrenzt wird, d.h. die Basis 12 stellt einen Boden der Gehäusekomponente 11 dar und umgrenzt gemeinsam mit den Gehäusewänden einen Innenbereich der Gehäusekomponente 11. Der in 1 nach oben weisende Teil der Gehäusekomponente ist dabei offen.
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Wie in 1 beispielhaft dargestellt, kann bzw. können auf der Basis 12 in dem Innenbereich ein vorsprungsartiger Abschnitt 14 oder eine Vielzahl von vorsprungartigen Abschnitten 14 ausgebildet werden, der/die ebenfalls einstückig mit der Gehäusekomponente 11 verbunden sein kann/können.
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Die vorsprungartigen Abschnitte 14 können Funktionsfelder der Leuchte 10 definieren - in 1 sind beispielhaft neun derartige Funktionsfelder dargestellt, die etwa in einer 3 × 3 Funktionsfelder oder 2 ×x 2 Funktionsfelder aufweisenden quadratischen Matrix angeordnet sind. Die Funktionsfelder sind dabei in etwa gleich groß und für sich genommen jeweils ebenfalls quadratisch. Es sollte dabei klar sein, dass auch andere Aufteilungen für die Funktionsfelder der Leuchte 10 möglich sind, beispielsweise ein oder mehrere Einzelspots in einer Reihe oder eine andere irreguläre Anordnung von Einzelspots.
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Die Gehäusekomponente 11 der 1 kann zur Ausbildung einer Leuchte 10 in einen in den Figuren nicht explizit dargestellten Einbaurahmen eingesetzt werden. Der Einbaurahmen kann zum Einbau beispielsweise in eine Decke an dessen umlaufender Außenseite mit Strukturen ausgestattet werden, die zum Beispiel den „randlosen“ Einbau, etwa mittels Einspachteln, erleichtern.
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Die Leuchte 10 soll es ermöglichen, durch entsprechendes Schalten bzw. Steuern zwischen unterschiedlichen Lichteffekten oder Lichtszenen auf vielseitige Weise zu wechseln, so dass die Leuchte 10 eine flexible und kompakte Beleuchtungslösung bereitstellt, mit der sich die unterschiedlichsten Beleuchtungseffekte erzielen lassen. Hierzu werden bei der Leuchte 10 eine Mehrzahl optischer Komponenten 16 implementiert, bei denen es sich beispielsweise jeweils um Reflektoren handeln kann. Im dargestellten Beispiel der 1 sind zwei jeweils einem der Funktionsfelder zugeordnete optische Komponenten 16 mit in Draufsicht quadratischer Außenform illustriert. In 1 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur zwei Reflektoren 16 gezeigt, wobei jedoch die Leuchte 10 in einem fertiggestellten Zustand auf allen der Funktionsfelder entsprechende optische Komponenten aufweisen kann.
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Von der Leuchte 10 abzugebendes Licht wird von aktiven elektrischen Leuchtmitteln 17 bereitgestellt, die beispielsweise als LEDs oder Gruppen von LEDs ausgebildet sind. Die Leuchtmittel 17 sind beispielhaft in 2 dargestellt, die eine Schnittansicht durch die Gehäusekomponente 11 der Leuchte 10 illustriert. Jedes der Leuchtmittel 17 kann in (nicht explizit dargestellten) Leuchtmittelaufnahmen oder Leuchtmittelsteckplätzen auf einer Leuchtmittelträgerplatine 18 angeordnet sein, die die verschiedenen LEDs bzw. Gruppen von LEDs trägt und eine entsprechende elektrische Energieversorgung der Leuchtmittel 17 bereitstellt. Dabei können die Leuchtmittel 17 bzw. die Leuchtmittelaufnahmen jeweils einem der Funktionsfelder zugeordnet sein. Mehrere separate Leuchtmittelträgerplatinen 18 können daher im Innenbereich der Gehäusekomponente 11 untergebracht werden.
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Die optische Komponenten 16 verleihen dem durch die Leuchtmittel 17 abgestrahlten Licht eine jeweilige Abstrahlcharakteristik, beispielsweise die Abstrahlcharakteristik eines Downlights. Die Abstrahlcharakteristik kann somit je nach Funktionsfeld angepasst werden: Manche der Funktionsfelder können somit die Abstrahlcharakteristik einer Einzelleuchte aufweisen, die bei einer Deckenmontage der Leuchte 10 einen beispielsweise kreisrunden oder elliptischen Lichtkegel erzeugt. Andere Funktionsfelder können die Abstrahlcharakteristik eines Wallwashers erzeugen, d.h. eine Hauptabstrahlrichtung aufweisen, die schräg zur Basis der Gehäusekomponente 11 liegt. Mit einer derartigen Wallwasher-Charakteristik kann beispielsweise eine Wand beleuchtet werden kann.
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Die Leuchte 10 kann generell als eine einheitliche Leuchte ausgebildet werden, die mehrere Leuchtmittel 17 und jeweils zugeordnete optische Komponenten 16 aufweist. Die Leuchtmittel 17 können bei der Leuchte 10 zur Erzeugung unterschiedlicher Lichteffekte flexibel, beispielsweise einzeln oder in verschiedenen Gruppen, schalt- und/oder steuerbar sein.
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Die Leuchte 10 ist durch den modularen Leuchtmittelaufbau in Funktionsfeldern sehr flexibel und leicht skalierbar. Zudem wird eine leistungsstarke Möglichkeit zur Erzeugung unterschiedlichster Beleuchtungsszenarien mit unterschiedlichen Kombinationen aus Abstrahlcharakteristiken und Farbtemperaturen geschaffen. Durch die optionale Verwendung von Reflektoren als optische Komponenten kann eine präzise Lichtlenkung mit hohem Wirkungsgrad und effektiver Blendungsreduzierung erfolgen. Die Leuchte 10 kann beispielsweise mit einem Kugelschnappsystem in geringer Einbautiefe ohne Spezialwerkzeuge in Wände oder Decken montiert werden.
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2 zeigt eine schematische Schnittansicht durch die Gehäusekomponente 11 der Leuchte 10 in 1. Wie bereits schematisch in 1 angedeutet weist die Leuchte 10 eine Ansteuervorrichtung 20 auf, die in dem in 1 und 2 illustrierten Beispiel modular in der Gehäusekomponente 11 der Leuchte 10 verteilt ist. Zum einen weist die Leuchte 10 eine Steuerungsplatine 15 auf, die über eine digitale Eingangsschnittstelle digitale Ansteuersignale für die Leuchte 10 empfangen kann, wie etwa DALI-Steuersignale oder ZigBee-Steuersignale. Die Steuerungsplatine 15 kann über ein weiter unten im Bezug auf 3 und 4 erläutertes Steuermodul mit einem Steuersignalgenerator verfügen.
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Zum anderen weist die Leuchte 10 Leuchtmittelmodule auf, die auf den Leuchtmittelträgerplatinen 18 verteilt werden können. Die Leuchtmittelmodule werden ebenfalls weiter unten im Zusammenhang mit 3 und 4 erläutert. Die Komponenten auf den Leuchtmittelträgerplatinen 18 (Leuchtmittelmodule) sowie die Komponenten auf der Steuerungsplatine 15, z.B. der Steuersignalgenerator, können über einen in 2 nicht explizit dargestellten Gleichrichter mit einer Versorgungsspannung versorgt werden. Der Gleichrichter kann dabei einerseits eine Leuchtmittelversorgungsspannung für die Leuchtmittelmodule bzw. die in den Leuchtmittelmodulen aufgenommenen Leuchtmittel 17 bereitstellen, andererseits eine Versorgungsspannung für das Steuermodul. Die Versorgungsspannung für das Steuermodul kann gegebenenfalls über einen zusätzlichen Gleichspannungswandler für die elektronischen Komponenten des Steuermoduls, wie etwa den Steuersignalgenerator in eine passende Versorgungsgleichspannung umgesetzt werden.
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Beispielsweise kann die Leuchte 10 über eine zentrale Steuerungsplatine 15 verfügen, auf der sämtliche externen Ansteuersignale (DALI- oder ZigBee-Steuersignale) verarbeitet und als digitale Steuersignale an mehrere angeschlossene Leuchtmittelmodule auf verteilt in der Leuchte 10 angeordneten Leuchtmittelträgerplatinen 18 verteilt werden. Dabei können die Komponenten der zentralen Steuerungsplatine 15 über kabelgebundene Steuerleitungen mit Komponenten der jeweiligen Leuchtmittelträgerplatinen 18 gekoppelt sein.
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Die externen Ansteuersignale (DALI- oder ZigBee-Steuersignale) können entweder drahtgebunden über eine entsprechende Steckerbuchse oder drahtlos über einen geeigneten Funktransceiver oder eine geeignete WLAN-Zugriffsschaltung auf die zentrale Steuerungsplatine 15 geführt werden. Der Gleichrichter kann über einen Netzspannungseingang verfügen, über den eine Netzwechselspannung an die Leuchte 10 angelegt werden kann.
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Die LED-Leuchtmittel 17 der Leuchte 10 sind analog dimmbar. Hierfür ist eine analoge Dimmung über jeweils den verschiedenen Leuchtmittelmodulen lokal zugeordnete Stromregler vorgesehen, die in Reihe mit den jeweiligen LED-Leuchtmitteln 17 geschaltet sind.
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3 stellt ein schematisches Blockschaubild funktioneller Komponenten einer Ansteuervorrichtung 20 für eine LED-Leuchte dar. Insbesondere kann die Ansteuervorrichtung 20 für LED-Leuchtmittel 17 der im Zusammenhang mit den 1 und 2 erläuterten Leuchte 10 dienen. Komponenten der Ansteuervorrichtung 20 können dabei in bzw. an der Gehäusekomponente 11 der Leuchte 10 montiert bzw. implementiert werden. Die Aufteilung der Komponenten der in 3 dargestellten Ansteuervorrichtung auf Steuerungsplatine 15 und/oder Leuchtmittelträgerplatinen 18 kann dabei bedarfsgerecht erfolgen. Insbesondere kann es auch möglich sein, alle der Komponenten auf einer einzelnen Platine unterzubringen, wenn eine Aufteilung in Steuerplatine und Leuchtmittelträgerplatinen nicht gewünscht oder zweckmäßig ist.
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Die Ansteuervorrichtung 20 weist einen Gleichrichter 21 auf, der dazu dient, eine Wechselspannung V in eine Leuchtmittelversorgungsspannung Vdd zu richten. Die Wecheselspannung V kann dabei beispielsweise eine 230V oder 115V Netzwechelspannung sein, die über einen Netzstecker auf den Gleichrichter 21 geführt wird. Die Leuchtmittelversorgungsspannung Vdd kann beispielsweise 48VDC betragen und als unipolare oder bipolare Spannung an Komponenten der Ansteuervorrichtung 20 zur Verfügung gestellt werden.
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Mit einem Spannungsausgang 21a des Gleichrichters 21 sind zunächst Leuchtmittelmodule 23a bzw. 23b gekoppelt, welche jeweils ein oder mehrere erste LED-Leuchtmittelaufnahmen 28a bzw. 28b zur Aufnahme von ein oder mehreren LED-Leuchtmitteln 17a bzw. 17b aufweisen. Es kann möglich sein, dass der Gleichrichter 21 nur ein einziges Leuchtmittelmodul mit einer Leuchtmittelversorgungsspannung Vdd versorgt. In manchen Varianten sind mehr als zwei Leuchtmittelmodule 23a bzw. 23b vorgesehen, die jeweils in Parallelschaltung an den Spannungsausgang 21a des Gleichrichters 21 angekoppelt werden und jeweils mit der Leuchtmittelversorgungsspannung Vdd versorgt werden können.
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In den Leuchtmittelmodulen 23a bzw. 23b ist jeweils ein Stromregler 27a bzw. 27b angeordnet, welcher in Reihe zu den ein oder mehreren LED-Leuchtmittelaufnahmen 28a bzw. 28b geschaltet ist. In 3 ist die Reihenschaltung aus LED-Leuchtmittelaufnahmen 28a bzw. 28b und Stromregler 27a bzw. 27b so dargestellt, dass der Stromregler 27a bzw. 27b zwischen LED-Leuchtmittelaufnahmen 28a bzw. 28b und Masse angeordnet ist. Es sollte jedoch klar sein, dass auch eine umgekehrte Reihenfolge der LED-Leuchtmittelaufnahmen 28a bzw. 28b und Stromregler 27a bzw. 27b implementiert werden kann. Zudem weist jedes der Leuchtmittelmodule 23a bzw. 23b einen Digital-Analog-Wandler 26a bzw. 26b auf, welcher jeweils zwischen einen Modulsteuersignaleingang des Leuchtmittelmoduls 23a bzw. 23b und einen Steuereingang des jeweils zugehörigen Stromreglers 27a bzw. 27b gekoppelt ist.
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In der Folge wird aus Gründen der leichteren Lesbarkeit und Übersichtlichkeit jeweils nur auf ein generisches Leuchtmittelmodul 23 unter Weglassung der Suffixe a/b Bezug genommen. Es sollte dabei klar sein, dass jedes der gegebenenfalls mehreren an den Gleichrichter 21 angekoppelten Leuchtmittelmodule 23a, 23b der Ansteuervorrichtung 20 über ein oder mehrere der im Folgenden dargestellten Merkmale und Merkmalskombinationen verfügen kann. Insbesondere kann es möglich sein, dass alle der Leuchtmittelmodule 23a, 23b den funktionell gleichen Aufbau an Komponenten aufweisen. Alternativ dazu kann es auch möglich sein, verschiedene Leuchtmittelmodule 23a, 23b einer Leuchte 10 mit unterschiedlichem Aufbau und Funktion der Komponenten zu implementieren, insbesondere wenn verschiedenartige LED-Leuchtmittel 17a bzw. 17b in die verschiedenen Leuchtmittelmodule 23a, 23b eingesetzt werden sollen.
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Die Ansteuervorrichtung 20 weist ferner einen Steuersignalgenerator 24 auf, der beispielsweise auf einem Steuermodul 22 angeordnet sein kann. Der Steuersignalgenerator 24 kann beispielsweise als Mikroprozessor oder Mikrocontroller ausgebildet werden und kann über einen internen Konfigurationsspeicher zur Speicherung von programmierten Ansteuerkonfigurationen für die Leuchte 10 verfügen. Das Steuermodul 22 kann in einer Leuchte 10 dabei mitsamt dem Steuersignalgenerator 24 auf einer Steuerungsplatine 15 angeordnet sein. Diese Steuerungsplatine 15 kann entfernt von ein oder mehreren Leuchtmittelträgerplatinen 18 innerhalb der Leuchte 10 angeordnet sein, die jeweils ein oder mehrere Leuchtmittelmodule 23a bzw. 23b und Digital-Analog-Wandler 26a bzw. 26b aufweisen. Die Steuerungsplatine 15 sowie die ein oder mehreren Leuchtmittelträgerplatinen 18 können dabei standardisierte Anschlussbuchsen aufweisen, um untereinander beispielsweise über Kabel flexibel und variabel verbunden zu werden.
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Der Steuersignalgenerator 24 wird von dem Gleichrichter 21 mit Versorgungsspannung versorgt. Dazu kann es möglich sein, den Steuersignalgenerator 24 über einen Gleichspannungswandler 25 wie etwa einen Abwärtswandler zwischen den Spannungsausgang 21a des Gleichrichters 21 und einen Versorgungseingang 24a des Steuersignalgenerators 24 anzukoppeln. Der Abwärtswandler 25 kann beispielsweise eine Versorgungsspannung von 48VDC des Gleichrichters 21 auf eine für Mikroprozessoren oder Mikrocontroller übliche Versorgungsspannung von 3,3VDC heruntersetzen.
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Der Steuersignalgenerator 24 ist prinzipiell dazu ausgelegt, ein digitales Leuchtmittelsteuersignal C zu erzeugen und an einem Generatorausgang bereitzustellen. Hierzu kann der Steuersignalgenerator 24 über eine digitale Eingangsschnittstelle 22a verfügen. An dieser digitalen Eingangsschnittstelle 22a werden digitale Eingangssignale als externes Ansteuersignal, wie etwa DALI-Steuersignale oder ZigBee-Steuersignale S, in den Steuersignalgenerator 24 eingespeist. Auf der Basis der empfangenen digitalen Eingangssignale an der Eingangsschnittstelle 22a kann der Steuersignalgenerator 24 digitale Leuchtmittelsteuersignale Sa bzw. Sb für verschiedene der Leuchtmittelmodule 23a bzw. 23b erzeugen.
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Das externe Ansteuersignal, wie etwa das DALI-Steuersignal oder ZigBee-Steuersignal S, kann beispielsweise einen Sollwert für die Dimmung von LED-Leuchtmitteln 17 angeben. Insbesondere können bei LED-Leuchtmitteln 17 auf verschiedenen Leuchtmittelmodulen 23 verschiedene Sollwerte durch das DALI-Steuersignal oder ZigBee-Steuersignal S vorgegeben werden. Der Steuersignalgenerator 24 addressiert dann die jeweiligen Leuchtmittelmodule 23 je nach gewünschten Sollwerten. Dabei kann der Steuersignalgenerator 24 das digitale Leuchtmittelsteuersignal C so modulieren, dass Steuerinformationen bei konstanter Signalfrequenz über eine Variation des Tastgrades übertragen werden.
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Der Digital-Analog-Wandler 26 der Leuchtmittelmodule 23 ist mit dem Generatorausgang des Steuersignalgenerators 24 über einen Steuermodulausgang 22b gekoppelt, an dem die jeweiligen Ansteuersignale Ca, Cb für die verschiedenen Leuchtmittelmodule 23 aufgeteilt werden. Der Digital-Analog-Wandler 26 der Leuchtmittelmodule 23 wandelt das jeweilige digitale Leuchtmittelsteuersignal Ca, Cb des Steuersignalgenerators 24 in ein analoges Leuchtmittelsteuersignal Ta bzw. Tb. Dieses analgoe Leuchtmittelsteuersignal Ta bzw. Tb kann dann in den Steuereingang des jeweils zugehörigen Stromreglers 27 eingespeist werden.
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Der Digital-Analog-Wandler 26 kann beispielsweise eine Reihenschaltung aus einem Spannungsteiler und einem Tiefpass erster oder höherer Ordnung aufweisen. Alternativ dazu kann der Digital-Analog-Wandler 26 auch eine Reihenschaltung aus einem R2R-Netzwerk und einem Tiefpass zweiter Ordnung aufweisen. Ein R2R-Netzwerk kann beispielsweise durch eine kaskadierte Folge geschalteter Spannungsteiler implementiert werden, durch den das digitale Leuchtmittelsteuersignal C in ein abgestuftes analoges Signal umgesetzt wird. Dieses analoge Signal kann dann durch die Tiefpasskomponente auf hochfrequente PWM-Anteile bereinigt werden. Beide Optionen ermöglichen eine stabile und flickerfreie Ansteuerung des Stromreglers 27 und damit eine gleichmäßige Leucht- und Helligkeitscharakteristik des jeweils zugehörigen LED-Leuchtmittels 17.
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Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Stromregler 27 einen Linearregler (etwa einen serienstabilisierenden Längsregler) oder einen Schaltregler aufweist. Falls für die LED-Leuchtmittel 17 Hochvolt-LEDs eingesetzt werden kann der Stromregler 27 ein Linearregler sein. Hochvolt-LEDs nutzen in aller Regel nahezu die gesamte Versorgungsspannungsbreite, so dass ein Linearregler bei Hochvolt-LEDs mit guter Leistungseffizienz eingesetzt werden kann. Falls für die LED-Leuchtmittel 17 jedoch Niedervolt-LEDs eingesetzt werden, kann statt des Linearreglers ein Schaltregler als Stromregler 27 eingesetzt werden. In beiden Fällen ist ein verlustarmer Betrieb mit analogen Leuchtmittelsteuersignal Ta bzw. Tb möglich, da keine hochfrequenten Schaltvorgänge in dem Stromregler 27 ausgelöst werden müssen.
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5 zeigt ein schematisches Blockschaubild für eine Implementierungsvariante eines Linearreglers 27 als einstellbare Konstantstromquelle. Der Linearregler weist einen als Spannungsfolger arbeitenden Operationsverstärker OPV auf. Dessen Ausgang ist über einen Basisstrombegrenzungswiderstand RB mit der Basis eines Bipolartransistor B - in 5 beispielhaft ein NPN-Bipolartransistor - gekoppelt. Der Ausgangsstrom des Bipolartransistors B wird über einen Rückkoppelwiderstand RR und ein Shuntelement RS gemessen, indem der Ausgangsstrom über das Shuntelement RS gegenüber Masse GND abgeführt wird. Der Rückkoppelwiderstand RR gibt den Ausgangsstrom des Bipolartransistors B an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OPV zurück, wo der Ausgangsstrom mit dem Referenzsollwert T verglichen wird. Das Shuntelement RS kann beispielsweise einen einzelnen Shuntwiderstand oder auch eine Parallelschaltung aus mehreren Shuntwiderständen unterschiedlicher Widerstandswerte bzw. Leistungsaufnahmewerte aufweisen. Zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers OPV und dem Rückkoppelpfad kann weiterhin eine Kompensations- und Schwingungsdämpfungsschaltung mit einem schwingungsdämpfenden Kondensator CK und einem parallel dazu geschalteten Kompensationswiderstand RK aufweisen. Die Kompensations- und Schwingungsdämpfungsschaltung CK, RK koppelt den Ausgang des Operationsverstärkers OPV mit dessen invertierenden Eingang.
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Zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers OPV und die Basis des Bipolartransistors B ist zudem ein Basisstrombegrenzungswiderstand RB in Reihe geschaltet, der den Betriebsstrom des Operationsverstärkers OPV begrenzt, um eine Übersteuerung zu vermeiden, sowie den Operationsverstärkers OPV im Falle einer Überlastung oder eines Defektes des Bipolartransistors B vor der Kollektorspannung Vdd schützt. Außerdem kann der Basisstrombegrenzungswiderstand RB eine stabilisierende Wirkung auf den Regelkreis haben, da der Verstärkungswert gedämpft wird.
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Der in 5 als einfacher Bipolartransistor B dargestellte Transistor kann in manchen Fällen auch durch eine Darlingtontransistorschaltung mit höherer Stromverstärkung ersetzt werden, um etwaigen die Strommessung verfälschenden Basisstromanteilen im Shuntelement RS entgegenzuwirken. Eine derartige Darlingtontransistorschaltung kann aus zwei kaskadierten Bipolartransistoren bestehen, wobei der kleinere Transistor als Emitterfolger auf die Basis des größeren Transistors arbeitet, um den Stromverstärkungsfaktor des größeren Transistors zu erhöhen.
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Alternativ dazu kann ein Linearregler als Stromregler beispielsweise auch einen als verstärkten Spannungsfolger beschalteten Transistor, beispielsweise einen Feldeffekt-Transistor, aufweisen. Dieser Transistor wird mit der zu regelnden Eingangsspannung gespeist. Die zu regelnde Eingangsspannung wird ferner über eine Spannungsteilerschaltung mit einer Bandabstandsreferenz auf ein Referenzniveau herabgesetzt, welches mit der Ausgangsspannung am Ausgang des Transistors mithilfe eines Operationsverstärkers vergleichen wird. Die Bandabstandsreferenz kann beispielsweise durch eine Z-Diode gebildet werden. Durch den Vergleich im Operationsverstärker wirkt das Ausgangssignal des Operationsverstärkers als regelndes Stellsignal für die Ansteuerung des Transistors, um den Linearregler als einstellbare Konstantstromquelle betreiben zu können.
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4 zeigt ein abstrahiertes Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens M zur Ansteuerung einer LED-Leuchte, insbesondere zum Ansteuern von LED-Leuchtmitteln 17 der im Zusammenhang mit 1 und 2 erläuterten Leuchte 10.
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Das Verfahren M kann insbesondere unter Zuhilfenahme der in 3 gezeigten Ansteuervorrichtung 20 umgesetzt werden.
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In einer ersten Stufe M1 wird mindestens ein Leuchtmittelmodul 23, welche ein oder mehrere LED-Leuchtmittel 17 aufweist, mit einer durch einen Gleichrichter 21 erzeugten Gleichspannung versorgt. Durch einen Steuersignalgenerator 24, welcher von dem Gleichrichter 21 mit Versorgungsspannung versorgt wird, wird in einer zweiten Stufe M2 ein digitales Leuchtmittelsteuersignal C erzeugt.
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Dieses digitale Leuchtmittelsteuersignal C des Steuersignalgenerators 24 wird in einer dritten Stufe M3 in einen Digital-Analog-Wandler 26 eingespeist, so dass der Digital-Analog-Wandler 26 das digitale Leuchtmittelsteuersignal C in einer vierten Stufe M4 in ein analoges Leuchtmittelsteuersignal Ta bzw. Tb wandeln kann, beispielsweise mithilfe einer Reihenschaltung aus einem R2R-Netzwerk und einem Tiefpass zweiter Ordnung. Das derart gewandelte analoge Leuchtmittelsteuersignal Ta bzw. Tb dient in einer fünften Stufe M5 zur Einspeisung in einen Steuereingang eines Stromreglers 27, welcher in Reihe zu den ein oder mehreren Leuchtmitteln 17 geschaltet ist. Der Stromregler 27 ist beispielsweise ein Linearregler (etwa ein serienstabilisierender Längsregler) oder ein Schaltregler.
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Das digitale Leuchtmittelsteuersignal C kann durch den Steuersignalgenerator 24 insbesondere auf der Basis eines an einer Eingangsschnittstelle 22a des Steuersignalgenerators 24 empfangenen DALI-Steuersignals oder ZigBee-Steuersignals S erfolgen, welches beispielsweise einen Sollwert für die Dimmung der ein oder mehreren LED-Leuchtmittel 17 angibt. Dabei kann das digitale Leuchtmittelsteuersignal C Steuerinformationen bei konstanter Signalfrequenz über eine Variation des Tastgrades übertragen.
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In der vorangegangenen detaillierten Beschreibung sind verschiedene Merkmale zur Verbesserung der Stringenz der Darstellung in einem oder mehreren Beispielen zusammengefasst worden. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass die obige Beschreibung lediglich illustrativer, keinesfalls jedoch beschränkender Natur ist.
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Die Ausführungsbeispiele wurden ausgewählt und beschrieben, um die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis bestmöglich darstellen zu können. Dadurch können Fachleute die Erfindung und ihre verschiedenen Ausführungsbeispiele in Bezug auf den beabsichtigten Einsatzzweck optimal modifizieren und nutzen. In den Ansprüchen sowie der Beschreibung werden die Begriffe „beinhaltend“ und „aufweisend“ als neutralsprachliche Begrifflichkeiten für die entsprechenden Begriffe „umfassend“ verwendet. Weiterhin soll eine Verwendung der Begriffe „ein“, „einer“ und „eine“ eine Mehrzahl derartig beschriebener Merkmale und Komponenten nicht grundsätzlich ausschließen.
